Kap 16 Lyd

Lydbølger Anvendelser - Akustiske effekter - Sjokkbølger Anvendelse av vekselvirkning mellom bølger: - Stående bølger på et musikkinstrument - Håndtering av støy / Støykontroll - Ultralyd - Søk etter svulster - Ultralyd - Bestemmelse av hjerteaktivitet - Sjokkbølger - Knusing av nyrestein og gallestein (sjokkbølger) - Bestemmelse av jordstruktur vha elastiske bølger i jorden

Lydbølger Delfin Delfiner sender ut ultrasoniske lydbølger (106 Hz) i form av plystring. Returnert ekko gir delfinen informasjon om omgivelsene i store avstander. Primært benyttes dette til informasjon om føde i form av små fisk.

Sammenheng mellom trykk-amplitude og forflytnings-amplitude pmax = BkA

Eksempel 16-1 Målinger av lydbølger viser at i de høyeste lydene som det menneskelige øre kan tåle, er maksimum trykk-endringer av størrelsesorden 30 Pa over og under atmosfæretrykk pa (pa = 1.013 x 105 Pa ved havet). Bestem maksimal forflytning når frekvensen er 1000 Hz og v = 350 m/s.

Intensitet = Gjennomsnittseffekt pr enhetsareal

Eksempel 16-2 Finn intensiteten av lydbølgen i eksempel 16-1 med pmax = 30 Pa og temperatur 200C.

Eksempel 16-3 Hvilken amplitude ved 20 Hz vil gi samme intensitet som 1000 Hz lydbølgen i eksempel 16-1 og 16-2 ?

Eksempel 16-4 Hvilken lyd-effekt trengs fra senteret av en halvkule med radius 20 m for å produsere en intensitet på 1 W/m2 på overflaten av halvkulen? I P

Intensitet som funksjon av avstand r2 r1 I1 I2

Desibel skala [1] Logaritmer 1/10 1 10 100 1000 10000 10-1 100 101 102 103 104 -1 0 1 2 3 4 log 1000 = 3

Desibel skala [2] Logaritmer Intensitet I I0 = 10-12 I 1 = 100 Intensitets-nivå Lyd-nivå  0  120

Desibel skala [3] Siden øret er følsomt over et så stort område av intensiteter, benyttes ofte en logaritmisk skala. Intensitets-nivå  (enhet desibel) av en lydbølge (kalt lydnivå) er definert ved: I0 er en referanse-intensitet = 10-12 W/m2 = nedre høregrense ved 1 kHz. Intensitets-nivåene uttrykkes i desibel (dB = 1/10 bel).

Lyd-intensitets-nivåer Kilde Intensitets-nivå (dB) Intensitet (W/m2) ------------------------------------------------------------------------------------------- Smertegrense 120 1 Trafikkert by-gate 70 10-5 Samtale 65 3.2 x 10-6 Rolig bil 50 10-7 Rolig radio 40 10-8 Hvisking 20 10-10 Risling i løv-blader 10 10-11 Nedre høre-grense 0 10-12

Høring Det normale menneskelige øre er følsomt for lyder med frekvens fra 20Hz til 20000Hz. Høyere frekvenser kalles ultrasoniske. Innen det hørbare frekvensområde er ørets følsomhet avhengig av frekvensen. En lyd med en frekvens kan synes høyere enn en lyd med samme intensitet ved en annen frekvens. Frekvens Nedre høregrense ---------------------------------------------- 1000 Hz 0 dB 200 Hz 20 dB 15000 Hz 20 dB Intensitets-nivå > 120 dB (uavhengig av frekvens) gir smerte. Følsomhet for høye frekvenser avtar med alderen. Noen lyd-miksere tar hensyn til frekvens-følsomheten ved å vektlegge frekvensene ulikt. Lave og høye frekvenser økes i intensitet i forhold til midt-frekvensene.

Eksempel 16-5 Ved 10 minutters påvirkning av en 120 dB lyd vil nedre høregrense midlertidig endres fra 0 dB til 28 dB. 10 års påvirkning av en 92 dB lyd vil permanent endre nedre høregrense til 28 dB. Hvilken intensitet svarer til 28 dB og 92 dB ?

Eksempel 16-6 Vi tenker oss et idealisert tilfelle hvor en fugl betraktes som en punkt-kilde med konstant plystre-effekt. Med hvor mange dB vil lyd-nivået (intensitets-nivået) synke når vi dobler avstanden til fuglen?

Svevning To lyd-kilder med litt avvikende frekvens gir opphav til en resultant-bølge som inneholder varierende amplitude. Frekvensen som resultant-amplituden varierer med kalles svevnings-frekvensen. Svevningsfrekvensen er differensen mellom enkelt-frekvensene

Svevning Piano To stk piano spiller samme a-tone med frekvens 440 Hz. Ved å la det ene pianoet endre sin a-tone-frekvens til henholdvis 441 Hz, 442 Hz og 443 Hz, hører vi en svevningstone med økende frekvens. Svevningstonens frekvens er lik differensen mellom frekvensene til de to pianofrekvensene.

Doppler-effekt Lytter L beveger seg mot / fra lyd-kilden S samtidig som S også beveger seg.

Eksempel 16-7 fS = 300 Hz a) Bestem sirenens bølgelengde når sirenen er i ro. b) Bestem sirenens bølgelengde foran og bak politibilen når vS = 30 m/s. fS = 300 Hz

Eksempel 16-8 Bestem frekvensen som L hører. fS = 300 Hz

Eksempel 16-9 fS = 300 Hz Bestem frekvensen som L hører.

Eksempel 16-10 fS = 300 Hz Bestem frekvensen som L hører.

Doppler-effekt for elektromagnetiske bølger

Doppler-effekt for elektromagnetiske bølger  r2 2 r1 1

Sjokk-bølger

Sjokk-bølger Eksempel 16-11 Beregn tiden fra flyet passerer rett over L til sjokk-bølgen når frem til L.

Musikk [1] Oktav : fon = 2n-1fo1 C1 : fC1 = 262 Hz C2 : fC2 = 2 x 262 Hz = 524 Hz C3 : fC3 = 4 x 262 Hz = 1048 Hz Frekvensen til en tangent uttrykt ved frekvensen til forrige tangent: f2 = 21/12f1

Musikk [2] Oktav = 1:2 C:G = 1:27/12 = 2:3 C:E = 1:24/12 = 4:5 C:E:G = 1:24/12:27/12 = 4:5:6

Musikk [3] C:G = 1:27/12 = 2:3 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 … 3 6 9 12 15 18 21 24 … Grunntone Overtoner Frekvensendring mellom nabotoner: f2 = 21/12f1 Toner som ’passer sammen’ har ofte flere harmoniske felles

Musikk [4] Samme frekvens: Størst intensitet høres ut som lavest i frekvens. En musikalsk tone svinger med flere harmoniske frekvenser samtidig (klang-farge). Flere harmoniske => “Skarpere” lyd.

END